水汽和风速对雾霾中PM/PM变化的影响*2.510

王勇，刘严萍，李江波，柳林涛

>(1.天津城建大学地质与测绘学院，天津300384;2.大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北武汉430077; 3.天津城建大学经济与管理学院，天津300384;4.河北省气象局，河北石家庄050022)

水汽和风速对雾霾中PM/PM变化的影响*
2.510

王勇1，2，刘严萍3，李江波4，柳林涛2

>(1.天津城建大学地质与测绘学院，天津300384;2.大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北武汉430077; 3.天津城建大学经济与管理学院，天津300384;4.河北省气象局，河北石家庄050022)

依据北京2013年PM2.5/PM10、GPS水汽和无线电探空风速资料，发现水汽变化与PM2.5/PM10变化呈正相关，风速变化与PM2.5/PM10变化呈负相关。在风速较小情况下，水汽变化与PM2.5/PM10变化呈显著正相关，水汽上升对应了GPS水汽变化与PM2.5/PM10质量浓度的上升，水汽下降则对应了PM2.5/PM10质量浓度的下降。分析了水汽与PM2.5/PM10变化显著正相关的原因。

PM2.5/PM10;水汽;GPS;风速;北京

雾霾是空气污染和气象因素共同作用的结果，雾霾天气发生时，大气能见度下降，大气中的颗粒物(PM2.5/PM10)是导致能见度降低的主要因素［1］，城市大气PM2.5/PM10污染影响空气质量，威胁人群健康，是具有区域性特征、危害严重的大气污染物。我国区域灰霾污染日益严重，区域大气能见度逐年下降，细颗粒物浓度超标。Yuanyuan Fang以美国东北部为例研究了夏季PM2.5空气质量的物理气候模型［2］;Anne Boynard利用IASI(红外大气探测干涉仪)卫星测量技术探测了中国华北地区的冬季空气污染［3］。近年来我国部分学者针对北京、广州、深圳和天津等城市开展了城市PM2.5浓度特征及其影响因素的分析研究［4-7］。郭洁以成都为例研究了GPS水汽与大雾天气变化的关系，通过水汽变化分析雾形成原因［8］。

风是影响PM2.5/PM10横向水平移动的关键要素，水汽(可降水量)是影响PM2.5/PM10垂直运动的因素。我们针对雾霾天气过程研究了GPS可降水量和天顶对流层延迟的变化，发现GPS可降水量在雾霾过程前后有较大的变动［9］。水汽和风速的变化如何影响空气中的微颗粒物(PM2.5/PM10)的质量浓度变化?本文拟利用2013年的北京市PM2.5/PM10观测资料，结合GPS水汽资料、无线电探空风速资料，进行北京地表PM2.5/PM10变化与水汽、风速变化的比较研究，并对比较结果进行分析。

1 实验数据与方法

本文研究数据主要包含3类数据:GPS水汽(GPS Precipitable Water Vapor，GPS PWV)、无线电探空风速、PM2.5/PM10质量浓度观测数据。

1.1 GPS水汽

利用GPS观测资料可以反演出高时间分辨率的对流层延迟序列，结合气象观测资料(气压、温度)，可以获得时值GPS水汽序列［10］。国际GNSS服务(Internatianal GNSS Service，IGS)提供国际GPS站点的对流层延迟解算资料和气象观测数据，通过下载BJNM站点对流层延迟和气象资料，按照文献［10］中提供的方法可以获得时值GPS水汽序列。GPS水汽与无线电探空/水汽辐射计水汽具有接近(1～2 mm)的精度［11-12］，IGS提供的GPS对流层延迟产品精度最为可靠，因而本文解算的GPS水汽数值可靠。GPS水汽的单位为mm。

1.2 无线电探空风速

无线电探空是气象领域探测水汽的一种常用手段，利用该方法可探测各层气压、高度、温度、风速和风向等要素，本文选择无线电探空观测的地表风速进行PM2.5/PM10变化分析。无线电探空在每天的08:00和20:00(北京时间)进行观测。无线电探空风速的单位为m/s。

1.3 PM2.5/PM10质量浓度

PM2.5，即细颗粒物，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。PM10是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，是可在大气中长期飘浮的悬浮微粒，也称可吸入微粒、可吸入尘或飘尘。PM2.5/PM10能较长时间悬浮于空气中，它们在空气中含量浓度越高，代表空气污染越严重。PM2.5/PM10对空气质量和能见度等有重要的影响。北京有多个PM2.5/ PM10观测站点，本文选择了昌平站点的PM2.5/PM10观测资料，该资料为时值观测数据。PM2.5/PM10观测数据的单位为μm/m3。

2 水汽、风速变化对PM2.5/PM10变化的影响

2.1 GPS水汽变化与PM2.5/PM10变化的比较

冬春季节是北京霾天气的高发时节，本文选择2013年春季(第061-072日)和冬季(第321-333日)各一时段数据进行水汽/风速变化对PM2.5/ PM10变化的影响研究。图1所示为GPS水汽变化对PM2.5/PM10质量浓度变化的影响。

图1 GPSPWV与PM2.5/PM10的比较

由图1可见，GPS水汽变化与PM2.5/PM10质量浓度变化趋势较为一致，两者具有较好的正相关特性。表1中统计了GPS水汽与PM2.5/PM10的相关性。

2.2 风速变化与PM2.5/PM10变化的比较

图2所示风速变化对PM2.5/PM10质量浓度变化的影响。由图2可见，风速变化与PM2.5/PM10质量浓度变化趋势相反，两者呈负相关特性。表1中统计了风速与PM2.5/PM10的相关性。

图2 风速与PM2.5/PM10的比较

表1 GPSPWV、风速与PM2.5/PM10的相关性

由图1和图2可以看出，在年积日第068日20时无线电探空观测风速达到11 m/s，此时PM2.5/ PM10质量浓度处于低值，仅有10μg/m3，而GPS水汽在年积日第069日16时处于期间的最低值，由图1、图2和表1推断，风速和水汽是影响PM2.5/PM10质量浓度的关键因素，风速与PM2.5/ PM10质量浓度呈负相关，而水汽与PM2.5/PM10质量浓度呈显著正相关。

2.3 风速较小时GPS水汽变化与PM2.5/PM10变化的比较

由图2可见，在年积日第061-066日风速较小，因而选择该时间段进行风速较小情况下水汽对PM2.5/PM10质量浓度变化的影响研究(图3)。

统计图3中的GPS水汽与PM2.5/PM10质量浓度的相关性，GPS水汽与PM2.5/PM10质量浓度的相关系数分别为0.676 6和0.704 0。在风速较小情况下，水汽是影响PM2.5/PM10质量浓度变化的一个关键要素，两者呈显著正相关。水汽的上升对应了PM2.5/PM10质量浓度的上升，原因分析如下:

(1)水汽的增加能促进二氧化硫、氮氧化物被氧化成SOA(SOA是指直接排放的污染物与大气中物质反应后生成的二次污染的颗粒)，从而提高PM2.5/PM10浓度。

(2)当水汽上升时，臭氧与有机物发生化学反应生成大量的微颗粒，而该微颗粒属于PM2.5/ PM10。因此，在水汽上升时，臭氧浓度下降，PM2.5/PM10浓度上升。

(3)北京PM2.5/PM10污染源的组成中，煤燃烧所占比重最大，尤其是到了冬季，燃煤供暖，煤燃烧占的比重会更大。燃煤PM2.5/PM10微粒大多为难溶于水且吸湿性较差的球形硅铝质矿物颗粒，润湿性较差。因而PM2.5/PM10颗粒不因水汽的增加而减少。

图3 GPSPWV与PM2.5/PM10的比较(年积日第061-066日)

3 结论与讨论

本文利用北京市GPS水汽、无线电探空观测的地表风速与PM2.5/PM10质量浓度观测资料，进行了水汽和风速变化对PM2.5/PM10质量浓度变化的影响研究，结论如下:

(1)风速变化与PM2.5/PM10质量浓度变化呈负相关。

(2)GPS水汽变化与PM2.5/PM10质量浓度变化呈显著正相关，在风速较小情况下，水汽与PM2.5/ PM10质量浓度变化的相关性更为显著。

［1］王秦，陈曦，何公理，等.北京市城区冬季雾霾天气PM2.5中元素特征研究［J］.光谱学与光谱分析，2013，33(6): 1441-1445.

［2］Fang Yuanyuan，Arlene M Fiore，Jean-François Lamarque.Using synthetic tracers as a proxy for summertime PM2.5air quality over the Northeastern United States in physical climate models［J］. Geophysical Research Letters，2013，40(4):755-760.

［3］Anne Boynard，Cathy Clerbaux，Lieven Clarisse，et al.First simultaneous space measurements of atmospheric pollutants in the boundary layer from IASI:A case study in the North China Plain［J］.Geophysical Research Letters，2014，41(2):645-651.

［4］谷金霞，吴丽萍，霍光耀，等.天津市PM2.5中水溶性无机离子污染特征及来源分析［J］.中国环境监测，2013，29(3): 30-34.

［5］黄晓锋，云慧，宫照恒，等.深圳大气PM2.5来源解析与二次有机气溶胶估算［J］.中国科学:地球科学，2014，44(4): 723-734.

［6］赵秀娟，蒲维维，孟伟，等.北京地区秋季雾霾天PM2.5污染与气溶胶光学特征分析［J］.2013，34(2):416-423.

［7］朱倩茹，刘永红，徐伟嘉，等.广州PM2.5污染特征及影响因素分析［J］.中国环境监测，2013，29(2):15-21.

［8］郭洁，李国平，黄文诗.GPS可降水量与大雾天气关系的初步分析［J］.自然灾害学报，2011，20(4):142-146.

［9］王勇，闻德保，刘严萍，等.雾霾天气对GPS天顶对流层延迟与可降水量影响研究［J］.大地测量与地球动力学，2014，34 (2):120-123.

［10］王勇，刘严萍.地基GPS气象学原理与应用研究［M］.北京:测绘出版社，2012.

［11］Emardson T，RangeG E，Johansson JM.Threemonthsof continuousmonitoring of atmospheric water vaporwith a network of Global Positioning System receiver［J］.Journal of Geophisical research，1998，103(D2):1807-1820.

［12］Rocken C，Hove T，Iohnson J，et al.GPS/STROM-GPS sensing of atmospheric water vapor formeteorology［J］.Journal of Applied Meteorology，1995，12:468-478.

The Effect of PM2.5/PM10Variation based on Precipitable W ater Vapor and W ind Speed

Wang Yong1，2，Liu Yanping3，Li Jiangbo4and Liu Lintao2
(1．School of Geology and Geomatics，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China; 2．State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Wuhan 430077，China;3．School of Economics and Management，Tianjin Chengjian University，Tianjin300384，China; 4．Hebei Province Meteorological Bureau，Shijiazhuang 050022，China)

Based on the observation data of PM2.5/PM10，GPSPWV(Precipitable Water Vapor)and Radiosonde wind speed in Beijing in 2013，it is found that there is positive correlation between PM2.5/PM10variation and GPSPWV change;while negative correlation between PM2.5/PM10variation and Radiosonde wind speed change. During the period of less wind speed，the PWV changes are significantly positive correlated to PM2.5/PM10variation.The rising of PWV is corresponding to the rising of PM2.5/PM10variation;while the decreasing of PWV is corresponding to the decreasing of PM2.5/PM10variation.It is analyzed the cause of significantly positive correlation between PM2.5/PM10variation and PWV change.

PM2.5/PM10;Precipitable Water Vapor;GPS;wind speed;Beijing

P426.615;X4

A

1000-811X(2015)01-0005-03

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.002

王勇，刘严萍，李江波，等.水汽和风速对雾霾中PM2.5/PM10变化的影响［J］.灾害学，2015，30(1):5-7.［Wang Yong，Liu Yanping，Li Jiangbo，et al.The Effect of PM2.5/PM10Variation based on PrecipitableWater Vapor and Wind Speed［J］. Journal of Catastrophology，2015，30(1):5-7.］

2014-05-28

2014-07-13

国家自然科学基金创新群体“现代大地测量及其地学应用的研究”(41021003);大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金(SKLGED2013-5-5-E);湖南省研究生科研创新课题(CX2012B061)

王勇(1978-)，男，江西宁都人，博士，教授，主要从事GPS气象学研究.E-mail:wangyongjz@126.com